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超深水井淺層地質災害的種類分析

更新時間：2020-04-11　點擊量：1053

1引言

20世紀60年代以來,隨著對海洋石油資源勘探開發程度的不斷深入,越來越多的海洋地質災害事件給海洋工程帶來了巨大危害和損失[1]。特別是近年來,深水油氣勘探開發投資快速增長,從2003年的127億美元增至2007年的約215億美元。2007年深水油氣產量約占海上油氣總產量的15%,預計未來幾年這一比例將提高到20%[2]。

伴隨深水油氣勘探開發逐漸深入的同時,危及深水鉆井安全的海洋地質災害問題也日益突出,1999年在德克薩斯州里格市召開的高壓淺水流鉆探會議上,工業部門報告深水鉆井大約30%的花費用于解決安全事故,其中大部分是用于因地質災害而引起的安全事故[3]。

因此,為避免在超深水鉆井作業過程中由淺層地質災害帶來的巨大損失、防范安全事故的發生,確保鉆井進程順利實施。在鉆井開始之前對井場區域可能存在的淺層地質災害事故進行正確認識和評估,顯得非常有必要。

2引發淺層地質災害的主要種類分析

由于超深水鉆井所涉及的鉆井環境溫度特殊,鉆井液及水泥漿用量大,海底泥頁巖的活躍,穩定性差、破裂壓力梯度低并伴隨有淺層流體以及氣體水合物的形成等一系列問題[4],給作業帶來了諸多困難。越來越多的海洋地質災害事件也說明了這一點。

目前,超深水鉆井過程中可能引起的工程地質災害因素包括海底滑坡、淺部斷層、淺層氣、天然氣水合物、淺層高壓水流、古河谷、泥穿刺與泥火山、異常高壓、埋藏古河道和潮流沙脊等[5]。而能夠引起淺層地質災害的流體主要是海底淺層氣、天然氣水合物和淺水流這三種,因此,本文主要對以上三類地質災害進行了分析。

2.1淺層氣

淺層氣是指海床1000m以下淺聚積的有機氣體[6],它是大量陸緣碎屑物質帶來的豐富的生物碎屑和有機質,在海底沉積時,經甲烷菌分解逐步轉化成氣體而形成的淺層氣藏。海底淺層氣主要分布于河口與陸架海區,我國各大河口與陸架海區均有廣泛分布,尤以南海淺層氣的分布更為典型,如北部灣盆地、鶯歌海盆地、瓊東南盆地、萬安盆地、珠江口盆地、臺西南盆地,以及油氣富集的廣大海區均分布有淺層氣[7]。

淺層氣一旦生成,它在巖層中時刻都在運移與聚集,因為它不斷受到上覆水層、土層、巖層壓力的作用,這一作用過程對淺層氣的運移極其重要,在經過一定地質時期的運移與聚集后,淺層氣一般會被穩定地埋藏于海底之下。通常,淺層氣以4種形態賦存于海底(圖1)。

(1)層狀淺層氣:海底埋藏著的古湖泊、古河道、古三角洲地區,沉積物中的有機質分解成的氣體,與沉積物相伴生,呈大面積的層狀分布;

(2)團(塊)狀淺層氣:由于海區各地沉積物中富集的有機質的含量不同,沉積物孔隙率的大小不同,淺層氣通常不是均勻分布的,常常成團(塊)地相對富集于某一區塊或某幾個區塊;

(3)高壓氣囊:深部天然氣沿巖層的孔隙、裂隙、斷層面上升到海底淺部,為不透氣層(如粘土)覆蓋,隨著時間的推移,壓力越來越大,形成高壓氣囊;

(4)氣底辟:高壓氣囊在長期強大的壓力下,向上部覆蓋層的薄弱處沖擠,出現氣底辟。圖展示了高壓氣囊先后發生的2次氣底辟,淺層氣上升了2個層位,它們終將會沖破全部覆蓋層向海底直接噴逸,導致鉆井過程中安全事故的發生。

2.2天然氣水合物

天然氣水合物是一種以甲烷為主的烴類氣體分子與水分子組成的類冰狀的固態結晶體[8],它的形成與地質條件關系密切,如巖性、沉積速率、有機碳含量、沉積環境等。在海洋深水鉆井作業中,由于同時存在適當的溫度、壓力、水和天然氣這些條件,所以很容易產生天然氣水合物。

在超深水鉆井過程中,天然氣水合物的分解可以產生170多倍的體積增加量,它可能導致地層抗壓強度變弱,井眼擴大、固井失敗以及井眼清潔方面的問題[9]。深水鉆井作業中,天然氣水合物的形成不僅是一個經濟問題,更是一個安全問題[10]。海底附近或井中溶解的水合物受到冷卻后易在隔水管和壓井阻流管線上重新凝結,尤其是在節流管線、鉆井隔水導管、防噴器以及海底的井口里,一旦形成氣體水合物,就會堵塞氣管、導管、隔水管和海底防噴器等,從而造成嚴重的事故。

2.3淺水流

淺層流是海底沉積物中有機質分解的甲烷氣體或地層深部油氣運移產生的高壓氣層以及快速沉積產生的高壓鹽水層[11]。在深水環境下,淺層流的存在形式較為復雜,一般體積較小難以預測;而且,淺層流所處的層位淺,常常突然出現,使報警反應時間短,并可能使淺層流在幾乎沒有報警的情況下到達地面。淺層流的壓力一般較高,一旦井噴,能使井眼迅速卸載,使所有的鉆井液噴出,繼而失去井控的機會。在產生淺水流的情況下,由于深水表層地層薄弱,一旦發生井噴,還不能強行關井,關井易憋裂地層,使之失去控制,造成更大的井噴、爆炸起火、井口塌陷、鉆機燒毀等等事故的發生。許多情況下,由于在淺井段鉆進時,一般施工作業人員對淺水流危險性認識不足更易于引起事故。淺層流的主要災害包括:

(1)地層坍塌:淺層流的存在,使沉積物中孔隙水壓力增加,地層有效壓力相應減小,地層強度變低,淺層流溢出后出現局部塌陷[12]。高壓淺層流引起海底土層膨脹,原來土層的骨架受到破壞,土層在自重作用下的固結作用過程減慢,從而增大了土層的壓縮性。由于自重作用下的固結作用,海底松散沉積物的抗剪強度隨深度增大,而含高壓淺層流的地層這種增長率明顯減小;一旦高壓淺層流釋放后,土層將產生相對較大的沉降量,導致基礎的相應下沉或失穩。因此,含高壓淺層流的沉積物的這種高壓縮、低強度的特征,使其成為深水海底作業的安全隱患。高壓淺層流釋放時,壓力將急劇下降,快速的流體對土層產生強烈的沖刷作用,大范圍地擾動地層,同時嚴重擾動上覆或下臥地層。由于高壓淺層流的分布經常是不均勻的,壓力大小不等,會造成地層承載力的差異,引起地層不均勻沉降,對樁基及錨鏈造成危害。

(2)井噴及平臺傾覆:鉆井施工到含高壓淺層流時,在上覆土層壓力小于高壓淺層流的地層壓力時,高壓淺層流會從孔內逸出,當壓力差足夠大時,會出現強烈的井噴,周圍的泥沙會涌入孔內,發生孔壁坍塌等事故,甚至造成施工平臺下陷、傾覆及至發生火災,嚴重威脅著施工人員的生命安全。

具體資料請下載文案：

TD-016C型 RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統

產品關鍵詞：地源熱泵測溫，地埋管測溫

此款系統專門為地源熱泵生產企業，新能源技術安裝公司，地熱井鉆探公司以及節能環保產業等單位設計，通過連接我司單總線地熱電纜，以及單通道或多通道485接口采集器，可對接到貴司單位的軟件系統。歡迎各類單位以及經銷商詳詢！此款設備支持貼牌，具體價格按量定制。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統【產品介紹】

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯,對建筑物進行供熱和供冷.在埋地管換熱器設計中,土壤的導熱系數是很重要的參數.而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長,測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的測溫電纜設計方法，單總線測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

采集服務器通過總線將現場與溫度采集模塊相連，溫度采集模塊通過單總線將各溫度傳感器采集到的數據發到總線上。每個采集模塊可以連接內置1-60個溫度傳感器的測溫電纜相連。本方案可以對大型試驗場進行溫度實時監測，支持180口井或測溫電纜及1500點以上的觀測井溫度在線監測。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統：

1. 地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2. U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究，埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

豎直地埋管地源熱泵溫度測量系統，主要是一套*基于現場總線和數字傳感器技術的在線監測及分析系統。它能有對地源熱泵換熱井進行實時溫度監測并保存數據，為優化地源熱泵設計、探討地源熱泵的可持續運行具有參考價值。

二、RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統本系統的重要特點：

１．結構簡單，一根總線可以掛接1-60根傳感器，總線采用三線制，所有的傳感器就燈泡一樣，可以直接掛在總線上．

２．總線距離長．采用強驅動模塊，普通線，可以輕松測量500米深井.

３．的深井土壤檢測傳感器，防護等級達到ＩＰ６８，可耐壓力高達5Mpa.

４．定制的防水抗拉電纜，增強了系統的穩定性和可靠特點總結：高性價格比，根據不同的需求，比你想象的*．

針對U型管口徑小的問題，本系統是傳統鉑電阻測溫系統理想的替代品. 可應用于：

１.地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2.U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

本系統技術參數：支持傳感器：18B20高精度深井水溫數字傳感器，測井深：1000米，傳感器耐壓能力：5Mpa ,配置設備：遠距離溫度采集模塊＋測井電纜＋傳感器，

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統系統功能：

1、溫度在線監測

2、報警功能

3、數據存儲

4、定時保存設置

5、歷史數據報表打印

6、歷史曲線查詢等功能。

【技術參數】

1、溫度測量范圍：-10℃ ～ +100℃

2、溫度精度：正負0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采樣點數：小于128

5、巡檢周期：小于3s（可設置）

6、傳輸技術： RS485、RF(射頻技術)、GPRS

7、測點線長：小于350米

8、供電方式： AC220V /內置鋰電池可供電1-3年

9、工作溫度： -30℃ ～ +80℃

10、工作濕度：小于90%RH

11、電纜防護等級：IP66

使用注意事項：

防水感溫電纜經測試與檢測，具備一定的防水和耐水壓能力，使用時，請按以下方法操作與使用：
1．使用時，建議將感溫電纜置于U形管內以方便后期維護。
若置與U形管外，請小心操作，做好電纜防護，防止在安裝過程中電纜被劃傷，以保持電纜的耐水壓能力和使用壽命。
2. 電纜中不銹鋼體為傳感器所在位置，因溫度為緩慢變化量，正常使用時，請等待測物熱平衡后再進行測量。
3. 電纜采用三線制總線方式，紅色為電源正，建議電源為3-5V DC，黑色為電源負，蘭色為信號線。請嚴格按照此說明接線操作。
4. 系統理論上支持180個節點，實際使用應該限制在150個節點以內。
5.系統具備一定的糾錯能力，但總線不能短路。
6. 系統供電，當總線距離在200米以內，則可以采用DC9V給現場模塊供電，當距離在500米之內，可以采用DC12V給系統供電。

【北京鴻鷗成運儀器設備有限公司提供定制各個領域用的測溫線纜產品介紹】

由北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出的地源熱泵溫度場測控系統，硬件采取*ARM技術；上位機軟件使用編程語言技術設計，富有人性、直觀明了；測溫傳感器直接封裝在電纜內部，根據客戶距離進行封裝。目前該系統廣泛應用于地源熱泵地埋管、地源熱泵溫度場檢測、地源熱泵地埋換熱井、地源熱泵豎井及地源熱泵溫度場系統進行地溫監測，本系統的可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

地源熱泵診斷中土壤溫度的監測方法：
　　為了實現地源熱泵系統的診斷，必須首先制定保證系統正常運行的合理的標準。在系統的設計階段，地下土壤溫度的初始值是一個重要的依據參數，它也是在系統運行過程中可能產生變化的參數。如果在一個或幾個空調采暖周期（一般一個空調采暖周期為1年）后，系統的取熱和放熱嚴重不平衡，則這個初始溫度會有較大的變化，將會大大降低系統的運行效率。所以設計選用土壤溫度變化曲線作為診斷系統是否正常的標準。
　　首先對地源熱泵系統所控制的建筑物進行全年動態能耗分析，即輸入建筑物的條件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、圍護結構材料和房間功能等條件，計算出該區域全年供暖、制冷的負荷，我們根據該負荷，選擇合適的系統配置，即地埋管數量以及必要的輔助冷熱源，并動態模擬計算地源熱泵植筋加固系統運行過程中土壤溫度的變化情況，得到初始土壤溫度標準曲線。采用滿足土壤溫度基本平衡要求的運行方案運行，同時系統實時監測土壤溫度變化情況，即依靠埋置在地下的測溫傳感器監測土壤的溫度，并且將測得的溫度傳遞給地源熱泵系統。

淺層地溫能監測系統概況：

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯，對建筑物進行供熱和供冷，在埋地管換熱器設計中，土壤的導熱系數是很重要的參數，而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長，測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地源熱泵地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的地源熱泵測溫電纜設計方法，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的數字總線式測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

為方便研究土壤、水質等環境對空調換熱井能效等方面的可靠研究或溫度測量，目前地源熱泵地埋管測溫電纜對于地埋換熱井，有口徑小，深度較深等特點的測溫方式,如果測量地下120米的地源熱泵井，要放12路線PT100傳感器。12根測溫線纜若平均放置，即10米放一個探頭，則所需線材要1500米，在井上需配置一個至少12通道的巡檢儀，若需接入電腦進行溫度實時記錄，該巡檢儀要有RS232或RS485功能,根據以上成本估計，這口井進行地熱測溫至少成本在8000元，雖然選擇高精度的PT100可提高系統的測溫精度，但對模擬量數據采集，提供精度的有效辦法是提供儀器的AD轉換器的位數，即提供巡檢儀的測量精度，若能夠在長距離測溫的條件下進行多點測溫，能夠做到0.5度的精度，則是非常不容易。針對這一需求，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出“數字總線式地源熱泵地埋管測溫電纜”及相應系統。礦井深部地溫監測，地源熱泵溫度監測研究，地源熱泵溫度測量系統，淺層地熱測溫系統。

地源熱泵數字總線測溫線纜與傳統測溫電纜對比分析：
傳統的溫度檢測以熱敏電阻、PT100或PT1000作為溫度敏感元件，因其是模擬量，要對溫度進行采集，若需較高精度，需要選擇12位或以上的AD轉換及信號處理電路，近距離時，其精度及可靠性受環境影響不大，但當大于30米距離傳輸時，宜采用三線制測方式，并需定期對溫度進行校正。當進行多點采集時，需每個測溫點放置一根電纜，因電阻作為模擬量及相互之間的干擾，其溫度測量的準確度、系統的精度差，會受環境及時間的影響較大。模塊量傳感器在工作過程中都是以模擬信號的形式存在，而檢測的環境往往存在電場、磁場等不確定因素，這些因素會對電信號產生較大的干擾，從而影響傳感器實際的測量精度和系統的穩定性，每年需要進行校準，因而它們的使用有很大的局限性。

北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的總線式數字溫度傳感器，具有防水、防腐蝕、抗拉、耐磨的特性，總線式數字溫度傳感器采用測溫芯片作為感應元件，感應元件位于傳感器頭部，傳感器的精度和穩定性決定于美國進口測溫芯片的特性及精度級別，無需校正，因數據傳輸采用總線方式，總線電纜或傳感器外徑可做得很小，直徑不大于12mm,且線路長短不會對傳感器精度造成任何影響。這是傳統熱電阻測溫系統*的優勢。所以數字總線式測溫電纜是地源熱泵地埋管管測溫、地溫能深井和地層溫度監測理想的設備。數字總線式數據傳感器本身自帶12位高精度數據轉換器和現場總線管理器，直接將溫度數據轉換成適合遠距離傳輸的數字信號，而每個傳感器本身都有唯的識別ID，所以很多傳感器可以直接掛接在總線上，從而實現一根電纜檢測很多溫度點的功能。

地源熱泵大數據監控平臺建設

一、系統介紹

1、建設自動監測監測平臺，可監測大樓內室內溫度；熱泵機組空調側和地源側溫度、

壓力、流量；系統空調側和地源側溫度、壓力、流量；熱泵機組和水泵的電壓、電流、功率、

電量等參數；地溫場的變化等，實現熱泵機組運行情況 24 小時實時監測，異常情況預

警，做到真正的無人值守。可對熱泵系統的長期運行穩定性、系統對地溫場的影響以及能效

比等進行綜合的科學評價，為進一步示范推廣與系統優化的工作提供數據指導依據。

具體測量要求如下：

1）各熱泵機組實時運行情況；

2）室內溫度監測數據及變化曲線；

3）室外環境溫度數據及變化曲線；

4）機房內空調側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

5）機房內地埋管側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

6）機房內用電設備的電流、電壓、功率、電能等監測數據及變化曲線；

7）地溫場內不同深度的地溫監測數據及變化曲線；

8）能耗綜合分析、系統 COP 分析以及系統節能量的評價分析。

2、自動監測平臺建成以后可以對已經安裝自動監測設備的地熱井實施自動監測的數據分

析展示，可實現地熱井和回灌井的水位、水溫、流量實施傳輸分析，并可實現數據異常情況預

警，做到實時監管，有地熱井運行的穩定性。

1）開采水量及回水水量的流量監測及變化曲線；

2）開采水溫及回水水溫的溫度監測及變化曲線；

3）開采井井內水位監測及變化曲線；

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超深水井淺層地質災害的種類分析

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